科学家瞥见奇怪的微生物,可能有助于解释复杂生活的兴起

生物学家第一次捕获并生长出一种难以捉摸的微生物,这种微生物与可能引起地球上所有复杂生命的微生物相似。

在发布到bioRxiv储存库1的预印本中,日本科学家报告说,他们已经从古细菌古细菌“单细胞微生物”表面分离并生长出微生物,“单细胞微生物在表面上看起来像细菌,但非常独特”,这是以前才知道的从基因组序列。

研究人员花了12年的时间从​​深海泥土中培养出这些微生物的纯实验室培养物。这项努力使科学家们首次看到了可能从简单的类细菌细胞跃迁到真核生物的生物体。真核生物是一种具有细胞核和其他结构的生物体,包括植物,真菌和人类。和其他动物。

荷兰瓦赫宁根大学的进化微生物学家Thijs Ettema说:“这是一篇具有纪念意义的论文,反映出大量的工作和毅力。”“在理解这一重要血统上迈出了重要的一步。” / p>

泥泞的起源

这个神秘的团体叫做Lokiarchaea,是在离格陵兰岛沿海海底热液喷口场Loki城堡不远处挖出的微生物渣中脱颖而出的。2015年,埃特玛(Ettema)和他的同事们对沉积物中微生物杂菌的遗传片段进行了测序,并将其组装成单个物种的完整基因组2,这种方法称为宏基因组学。

一个基因组脱颖而出。它显然是古细菌的成员。但是在整个基因组中点缀着类似真核生物的基因,向埃特玛(Ettema)暗示,这个奇异的球可以帮助弥合简单微生物与真核生物之间的进化鸿沟。研究人员称其为Lokiarchaea,以北欧神话的骗子Loki为名。

不久,其他实验室又发现了类似Loki的古细菌,它们共同组成了Asgard古细菌,以北欧诸神居住的神话区域命名。尽管生物体在生命树中的精确位置仍然存在争议,但许多分析将阿斯加德和真核生物结合在一起,这可能意味着一些遥远的类似阿斯加德的祖先产生了所有真核生物,从熊猫到portabello蘑菇。

二合一

支持这种观点的人认为,大约在20亿年前,类似Asgard的古细菌吞噬了细菌。摄取没有提供膳食,而是引发了互惠互利的关系,这种现象被称为共生。最终,根据这种假设,细菌进化为线粒体,即有助于“助长真核生物”生长的细胞的“下部”细胞器。类似的合并可能导致了第一个有核细胞。

并非所有研究人员都同意Asgards做到了这一点。一些人认为,使阿斯加德特别的真核生物样基因仅仅是来自其他沉积物微生物的污染。而且,如果没有在实验室中研究的实际生物,就很难知道真核生物样基因的实际作用,或者很难了解内共生的进展。“从基因组学到了很多东西,但是没有实验室文化,我们只能学到很多东西。”埃特玛说。

由于Asgards来自极端环境并且生长速度非常慢,因此以前没有人在实验室中成功地将它们生长。巴黎巴斯德研究所的进化微生物学家西蒙妮塔•格里巴尔多(Simonetta Gribaldo)说:“整个领域一直在等待这一刻已经很久了。”

十二年的工作

横须贺日本海洋地球科学技术局微生物学家Imachi Hiroyuki Imachi和他的合作者开始艰苦的工作,最终将Asgards带入实验室。

为了从深海沉积物中培养微生物,Imachi和他的同事建造了一个模仿深海甲烷排放口条件的生物反应器。在5年的时间里,研究人员等待反应器中缓慢生长的微生物繁殖。

然后,他们从反应堆中取出样品,并将其与营养物一起放入玻璃管中,玻璃管放置了一年后才显示出生命迹象。遗传分析表明,Lokiarchaea种群几乎无法察觉。研究人员耐心地哄骗了Lokiarchaea的“花了2”的时间。周内进行细胞分裂成更高的丰度并纯化样品。Ettema说:“这是我知道的最慢的生物之一。”

最终,经过12年的工作,研究人员产生了稳定的实验室文化,只包含这种新的Lokiarchaeon和另一种产甲烷的古细菌。这两种微生物共同形成了一种共生关系(以前已经观察到相似的细菌和古细菌菌落)。科学家将养殖的Lokiarchaeon Prometheoarchaeum syntrophicum命名为。当他们的论文在期刊上接受审阅时,作者拒绝了《自然》新闻团队的采访请求。

格里巴尔多说:“这是巨大的努力。”“这是一个非常不错的故事,因为它们是在阿斯加德狂热开始之前就开始的。在实验进行的一半时,他们必须意识到自己手中掌握着黄金。

“来自外太空的生物” / h2>

在显微镜下,金呈圆形细胞的形式,宽度小于一微米。像其他古细菌和细菌一样,它们的内部相对简单,但它们的外表面会产生从其身体延伸出的细小状突起。Ettema说:“不要以为有人预言会像这样。”“是一种来自外太空的生物。” / p>

研究人员报告说,培养的Lokiarchaeon通过分解氨基酸来产生能量,并且可以与共生伴侣交换用于携带能量的分子。Ettema说,Asgard基因组暗示了这些功能,但未经实验室培养就没有得到证实。

最后,因为研究人员可以从纯样品中提取DNA并测序,而不是从含有多种生物的沉积物中提取DNA,所以他们的发现将证实Lokiarchaea实际上确实含有许多真核生物样基因。格里巴多说:“不要担心污染。”

埃特玛(Ettema)表示,这项研究为阿斯加德(Asgard)研究的下一阶段打开了大门,尽管他强调,还需要培养更多的阿斯加德(Asgards),以便研究人员确定类似阿斯加德(Asgard)的古细菌是否以及如何产生了真核生物。

Ettema说:“可以,只要回到过去,观察发生了什么事。”我们今天看到的Asgards与产生真核生物的微生物不同。但他说,培养更多的阿斯加德菌并研究其真核样基因的实际作用将为进化树提供更完整的图景,并帮助研究人员更好地推断单细胞生物是如何向复杂性迈出了第一个巨大飞跃。

自然572,294(2019)

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